智能大功率軟啟動(dòng)恒流源的設計

電源啟動(dòng)過(guò)程中瞬時(shí)電流沖擊很大， 對電源和器件的使用壽命有很?chē)乐氐挠绊懀?采用良好的控制方法對啟動(dòng)電流進(jìn)行控制以減小其危害， 使啟動(dòng)過(guò)程中無(wú)瞬間沖擊且能連續變化， 是電源啟動(dòng)控制中關(guān)鍵的一步。電源軟啟動(dòng)方式就是控制輸出電壓和電流， 使負載的電壓和電流漸增。對于線(xiàn)性時(shí)不變模型的被控對象適當整定PID 參數可獲得較滿(mǎn)意的控制效果， 可以很好地解決電流過(guò)大的問(wèn)題。PID 控制能很好地解決啟動(dòng)過(guò)程中震蕩和超調的問(wèn)題， 可以更好地保護電源， 且啟動(dòng)可靠、穩定性強。采用單片機作為控制器， 編程靈活、性?xún)r(jià)比較高， 易實(shí)現人機界面管理。利用軟件調整系統的非線(xiàn)性， 以降低實(shí)測值與設定值之間的偏差。電源電壓或電流的波動(dòng)、電路元件的老化、環(huán)境溫度等因素都將影響電源的穩定性。為了穩定地控制電源功率， 該方案采用基于單片機的高速AD、DA 數據采集系統， 并采用PID算法實(shí)現大功率電源的軟啟動(dòng)， 系統采用PID 電壓采樣反饋控制輸出電流的恒定不變， 精度較高、響應速度較快、靈活性較好、穩定性較高。

1 大功率精密恒流源的實(shí)現

1.1 電源系統設計

以單片機為核心， 完成以下功能： 處理鍵盤(pán)輸入數值， 包括電路預定值和+ 、- 步進(jìn)； 控制數LCD 顯示預定值和實(shí)際值； 控制ADC 和DAC; 根據得到的反饋信號通過(guò)程序控制算法進(jìn)行偏差值補償。由于運放OPA549 一路受D/A 轉換器控制， 調整運放OPA549 輸入端電壓， 一路為比例放大電路。當DAC 輸出預定值或步進(jìn)值后， 電流源的輸出在0 ~8 A 范圍內變化。輸出電壓經(jīng)與負載串聯(lián)的小電阻采樣后， 送入ADC, 采樣值與預定值在單片機內部進(jìn)行計算、比較輸出控制信號，對偏差值進(jìn)行補償。利用軟件調整系統的非線(xiàn)性， 以降低實(shí)測值與設定值之間的偏差。

1.2 電源電路設計

（1） 數控部分核心

采用單C8051F , 控制數控直流源的鍵盤(pán)和顯示， 與D/A 轉換器和A/D 轉換器控制輸出電流。A/D 轉換器的基準電壓由專(zhuān)門(mén)±9 V 電源供電，D/A 轉換器的基準電壓由+20 V 電源供電， 由單片機送出數據經(jīng)DAC 轉換輸出控制電壓。

（2） 運放OPA549 放大電路電流源。

OPA549 是BB 公司新推出的一種高電壓大電流功率運算放大器。它能夠提供極好的低電平信號、輸出高電壓、大電流， 可驅動(dòng)各種負載。該器件的主要特點(diǎn)： 輸出電流大， 連續輸出電流可達8 A, 峰值電流可達10 A; 工作電壓范圍寬， 單電源為+8 V~+60 V, 雙電源為±4 V~±60 V; 輸出電壓擺動(dòng)大；有過(guò)熱關(guān)閉功能， 電流極限可調； 有使能及禁止功能； 有過(guò)熱關(guān)閉指示； 轉換效率（ 壓擺率） 最高為9 V/μs ; 工作溫度范圍為-40℃~+85℃。該器件主要應用于驅動(dòng)工業(yè)設備、測試設備、電源、音頻功率放大器等大電流負載。

在該電源系統中， 主要為負載提供大電流， 采用PID 控制算法控制負載的發(fā)光強度。輸入為單片機經(jīng)DAC輸出的控制電壓， 一路為比例放大電路， 如圖1 所示增益G=1+R3/R2.電流型DAC 通過(guò)R1 轉換成電壓， 控制OPA549 .輸出電流經(jīng)采樣電阻轉換為采樣電壓， 送入A/D 轉換器反饋至單片機進(jìn)行偏差值補償。

圖1 OPA549 構成可調大電流恒流源

（3） 散熱及抗干擾。

OPA549 大功率管工作時(shí)產(chǎn)生恒定的大電流， 功耗較大， 產(chǎn)生的熱量較多， 散熱成為該電源急需處理的問(wèn)題。一般的軸流風(fēng)扇內部電機置有脈沖驅動(dòng)電路， 驅動(dòng)時(shí)， 脈沖成分很容易直接順電機電源線(xiàn) 外溢 , 干擾其他電器設備。視頻設備上干擾表現為橫通斜線(xiàn)， 音響設備上產(chǎn)生噪音。為此， 安裝大面積的銅散熱片， 同時(shí)用風(fēng)扇對設備中的電子元器件強制散熱。安裝風(fēng)扇時(shí)， 需要在風(fēng)扇電機電源線(xiàn)上串繞一只高頻磁環(huán)以抗干擾。串繞磁環(huán)有效濾除這些干擾成分， 一般只需繞上1~3 匝即可。

2 PID 控制算法

系統軟啟動(dòng)的控制功能通過(guò)比例積分微分控制器實(shí)現。通過(guò)比較給定信號與反饋信號的偏差， 并進(jìn)行比例、積分、微分等運算進(jìn)行控制， 是技術(shù)較成熟、應用、廣泛的一種控制方式。其結構簡(jiǎn)單、靈活性強、系統參數調整方便， 不需要求出模型。

PID 控制原理如圖2 所示。PID 控制是一種線(xiàn)性調節器， 它把設定值W 與實(shí)際輸出值相減， 得到控制偏差e .偏差值e 經(jīng)比例、積分、微分后通過(guò)線(xiàn)性組合構成控制量U, 對對象進(jìn)行控制。其中比例調節器起到基礎調節作用， 主要對控制系統的靈敏度和控制速度有影響。積分調節器可以自動(dòng)調節控制量， 消除穩態(tài)誤差，使系統趨于穩定。微分調節器可以減小超調， 克服振蕩， 同時(shí)加快系統的穩定速度， 縮短調整時(shí)間， 從而改善系統的動(dòng)態(tài)性能。

圖2 PID 控制原理圖

PID 控制器的輸出與輸入之間的關(guān)系可表達為：

式中： Ti為積分時(shí)間常數； Td為微分時(shí)間常數； Kp為比例系數； Ki為積分常數， Ki=Kp/Ti ; Kd為微分常數，Kd=Kp/Td.

系統啟動(dòng)時(shí)間較短， 啟動(dòng)電壓、電流較大， 負載所承受的沖擊也較大， 致使啟動(dòng)階段負載的動(dòng)負荷峰值遠遠大于正常運行時(shí)的負荷， 容易造成負載的損壞。為解決此問(wèn)題， 設計了一種新型的PID 控制軟啟動(dòng)電源系統， 主要由電源、大電流恒流源、輸出大電流端采樣和控制系統組成， 并完成了實(shí)驗室內的試驗。當電源啟動(dòng)時(shí)， 首先由單片機系統給定設定電壓、電流或功率。PID軟啟動(dòng)是按負載線(xiàn)性上升的規律控制輸出。在負載電壓線(xiàn)性增加的過(guò)程中， 如果電流超出了所限定的范圍， 則馬上投入電壓閉環(huán)， 使電流值限定在所設定的范圍內后， 再線(xiàn)性逐漸增加電壓至額定值， 系統的光強也由零逐漸增大， 完成啟動(dòng)過(guò)程。

PID 控制系統軟啟動(dòng)效果圖如圖3 所示。通過(guò)串行通信端口com1 通信， 電壓?jiǎn)挝籱V、電流單位mA, 功率單位mW, 時(shí)間單位s.

從圖3 的軟啟動(dòng)效果圖可以看出， 在恒定電壓、電流、功率的模式下工作時(shí)， 系統開(kāi)機過(guò)程超調量很小， 有效地控制了啟動(dòng)過(guò)程， 防止了啟動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生過(guò)大的擾動(dòng)電壓， 產(chǎn)生過(guò)大的功率，有效地保護了負載。

3 實(shí)驗結果

由于輸出電流達到8 A, 對電源的功率要求較高， 易產(chǎn)生噪聲， 這種隨機噪聲也會(huì )對輸出電流產(chǎn)生一定的影響。為減弱這種噪聲， 各個(gè)模塊分別供電， 以減少交叉干擾， 同時(shí)在電路板上多加裝去耦濾波電容， 減小干擾的影響， 同時(shí)OPA549 能有效地抑制紋波。影響電源穩定性的因素很多， 如負載的變化、取樣電阻的變化、A/D、D/A 的影響等。如圖4 所示， 不同負載的情況下， 電源誤差不同。10 W 的負載， 由于功率較低， 在電壓、電流增加時(shí)， 誤差變化也較小。35 W 的負載， 由于功率較大， 工作電流的變化范圍比較大， 功耗較大， 電源的誤差變化相應地也比較大。如圖5, 在10 W、20 W 和35 W 的負載時(shí)， 工作狀態(tài)穩定， 能夠滿(mǎn)足大電流、大功率的需要。

該系統利用PID 算法進(jìn)行控制， 采用大功率運放OPA549 輸出電流在0~8 A 范圍內可調， 最大峰值可達到10 A, 能夠有效抑制紋波電流， 克服了傳統電流源輸出電流范圍小的缺點(diǎn)?？稍O置并能實(shí)時(shí)顯示輸出電壓、電流、功率實(shí)測值， 具有+ , - 步進(jìn)調整功能， 輸出可在LCD12864 顯示， 同時(shí)通過(guò)RS232 與上位機同步通信， 直接顯示， 保存實(shí)驗數據。通過(guò)對測試結果的分析，系統在軟啟動(dòng)的過(guò)程中， 超調量很小， 啟動(dòng)效果很好， 避免了對負載的沖擊。由于大功率調整管的電流大范圍變化時(shí)， 經(jīng)過(guò)軟件補償、放大電路調整等方法解決線(xiàn)性度較差，實(shí)測值和設定值存在偏差的問(wèn)題。該電源適用于大功率的場(chǎng)合，本電源具有很好的實(shí)用性。